激光技術(shù)基礎(chǔ)第八講

1、激光技術(shù)基礎(chǔ)第八講第1頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四第 八 講引言：激光器分類（按泵浦方式分類） 連續(xù)激光器、脈沖激光器 激光器的閾值振蕩條件 閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)、閾值增益 閾值泵浦功率（能量）激光器的振蕩模式 均勻加寬激光器的模競(jìng)爭(zhēng)單模輸出 空間燒孔引起的多模振蕩 非均勻加寬激光器的多縱模振蕩模式選擇選橫模 選縱模第2頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四引言 激光器分類(工作方式按泵浦方式分類) 1.連續(xù)激光器穩(wěn)定工作狀態(tài)(穩(wěn)態(tài)) 在泵浦時(shí)間內(nèi),各能級(jí)粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到 穩(wěn)定狀態(tài)。 速率方程 代數(shù)方程 2.脈沖激光器非穩(wěn)定工作狀態(tài)(非穩(wěn)態(tài)

2、) 泵浦持續(xù)時(shí)間短, 各能級(jí)粒子數(shù)及腔內(nèi)光子數(shù)密度處 于劇烈的變化之中。根據(jù)泵浦持續(xù)時(shí)間t0 及激光上能 級(jí)壽命t2 對(duì)脈沖激光器細(xì)分第3頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四 短脈沖激光器(t0t2) 泵浦作用時(shí)間較長(zhǎng)，趨近穩(wěn)態(tài) 連續(xù)激光器 可按穩(wěn)態(tài)處理 理論上說,脈沖激光器和連續(xù)激光器沒有嚴(yán)格界限三能級(jí)系統(tǒng)(紅寶石)的泵浦激勵(lì)W13(t)w130t0t矩形脈沖激勵(lì)第4頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四w13A31S31S32A21S21w21w12E1E2E3泵浦效率熒光效率W13(t)w130t0t若尚未形成自激振蕩或在閾值附近,可忽略受激輻射

3、躍遷過程第5頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四可 解 得當(dāng) 時(shí), 討論:1.經(jīng)歷兩種變化過程 0tt0 泵浦脈沖撤除 n2 2. t=t0 ，(t0 2)時(shí) n2 最大n2(t0)t0第6頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四4.t0 t2 (長(zhǎng)脈沖泵浦) 激勵(lì)時(shí)間足夠長(zhǎng)n2 完成增長(zhǎng)過程達(dá)到穩(wěn)定值,可按穩(wěn)態(tài)處理;n1也達(dá)到穩(wěn)定值 3. t0 0; （2） g a推導(dǎo)Dnth公式的兩種方法: (1)增益(光強(qiáng))變化 * (2)速率方程;(1) 增益(光強(qiáng))變化 前提：增益介質(zhì)充滿腔內(nèi)單程損耗其中第8頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，

4、星期四(2) 速率方程:小信號(hào)情況 時(shí)的Dn= DnthLlhVaVR設(shè)腔內(nèi)A處處相等修正=工作物質(zhì)折射率第9頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四 不同模式(頻率)具有不同的受激輻射截面,Dnt值也不同 閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度 即n=n0時(shí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度 中心頻率處閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)最低閾值增益系數(shù)唯一地由單程損耗決定，當(dāng)腔內(nèi)損耗一定時(shí)，閾值增益系數(shù)為一常數(shù)二、閾值增益系數(shù) gt 即n=n0時(shí)的閾值增益系數(shù)第10頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四均勻加寬非均勻加寬* 討論： 不同模式(n) s21(n,n0)不同 Dnt不同，即 Dnt(n) 不同縱模具

5、有相同的，因此具有相同的閾值增益gt 不同橫模的衍射損耗不同,gt 不同 高階橫模的閾值增益大于基模，即第11頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四三、連續(xù)激光器或長(zhǎng)脈沖激光器的閾值泵浦功率 （PPt t0t2）1. 四能級(jí)系統(tǒng) （假定泵浦均勻）（中心頻率處）當(dāng)時(shí)，（作為穩(wěn)態(tài)處理）w03A30S32S21A21W21E3E2E1E0W12S10單位時(shí)間，單位體積內(nèi)， E2E1 躍遷的粒子數(shù) 或要維持 需要 E3E2 粒子的躍遷補(bǔ)充或同樣多的粒子數(shù) 通過泵浦（吸收）E0E3 或第12頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四泵浦光子能量總量子效率2. 三能級(jí)系

6、統(tǒng) 分析方法與四能級(jí)系統(tǒng)類似，不同之處激光下能級(jí)為基態(tài)設(shè)總粒子數(shù)密度為n, E2能級(jí)閾值粒子數(shù)密度為n2t四、短脈沖（t0 ( n2t / 1 ) 就能產(chǎn)生激光短脈沖激光器長(zhǎng)脈沖或連續(xù)激光器四能級(jí)三能級(jí) 當(dāng) t0t ( 界于長(zhǎng)脈沖與短脈沖之間) A21 & S21的影響不能忽略，無(wú)法得到 Ept 解析表達(dá)式，t0 給定，可數(shù)值求解第14頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四討論:1. 四能級(jí)系統(tǒng)激光器閾值低于三能級(jí)系統(tǒng) 四能級(jí) n1 0, 只需抽運(yùn)Dnt 粒子就可使 Ga 形成振蕩 三能級(jí) n1為基態(tài), 至少要抽運(yùn) n/2 粒子, 且 n/2 Dnt 2. 泵浦效率 的提高

7、: EDFA 采用半導(dǎo)體激光器泵浦3. Ppt, Ept 與工作物質(zhì)特性有關(guān)均勻加寬非均勻加寬熒光線寬小的介質(zhì)是好的激光工作物質(zhì)(釹玻璃&YAG比較)第15頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四4. 應(yīng)保證腔內(nèi)各光學(xué)元件質(zhì)量, 減小各種損耗第16頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四 半導(dǎo)體激光器 Ith 注入電流 氣體激光器 放電電流 固體激光器 光泵5. Ppt和Ept的實(shí)際含義 推導(dǎo)得出的Ppt或Ept有效泵浦功率或泵浦能量 實(shí)際激光器Ppt或Ept 為輸入泵浦光源的電功率 固體激光器為例電源電容脈沖氙燈工作物質(zhì)充電放電發(fā)光部分吸收+電源第17頁(yè)，

8、共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四5.2 激光器的振蕩模式 （即激光輸出模式） 要求了解和掌握：什么是激光振蕩模式？激光輸出模式由哪些因素決定的？增益飽和在激光振蕩中所起的作用(均勻和非均勻加寬)？什么是模競(jìng)爭(zhēng)？空間燒孔效應(yīng)的產(chǎn)生及對(duì)模式的影響？如何獲得基(橫)模TEM00振蕩？如何獲得單縱模（單頻）振蕩？從增益飽和機(jī)制出發(fā)，討論激光器的輸出模式一、均勻加寬激光器的振蕩模式 1. 均勻加寬激光器增益曲線的均勻飽和及自選模作用 第18頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四.g0(n)第19頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四穩(wěn)態(tài)增益結(jié)

9、論：一般情況下，均勻加寬穩(wěn)態(tài)激光器的輸出模式為單縱模，該模頻率總是在增益曲線中心頻率附近。由于模競(jìng)爭(zhēng)其它縱模被抑制而熄滅。 橫模之間同樣存在模式競(jìng)爭(zhēng)，但由于閾值增益系數(shù)不同，使得情況比較復(fù)雜。.g0(n)通過飽和效應(yīng)，某一個(gè)模逐漸把別的模的振蕩抑制下去，最后只剩下它自己的現(xiàn)象，稱之為模競(jìng)爭(zhēng)（mode competition）第20頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四2. 空間燒孔效應(yīng)及其引起的多模振蕩 軸向空間燒孔效應(yīng) (設(shè)橫向分布均勻，僅考慮Z向分布) 腔內(nèi)駐波場(chǎng)分布 增益空間分布g(z) 增益的空間燒孔軸向駐波場(chǎng)分布導(dǎo)致工作物質(zhì)中各點(diǎn)增益不同 空間燒孔引起多模振蕩的物

10、理原因 當(dāng)激勵(lì)作用較強(qiáng)時(shí)，由于空間燒孔效 應(yīng), 不同縱?？梢苑謩e使用腔內(nèi)不同部 位的高能級(jí)粒子-縱模的空間競(jìng)爭(zhēng) 空間燒孔的形成條件: 駐波腔 燒孔間距在波長(zhǎng)量級(jí) 粒子空間轉(zhuǎn)移速度較慢第21頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四 橫向空間燒孔的形成原因 橫模粒子數(shù)的空間分布不均勻, 橫向 燒孔尺度較大，(mm量級(jí))粒子的遷 移不能消除這種不均勻性 當(dāng)激勵(lì)作用足夠強(qiáng)時(shí), 不同橫模可以 分別使用不同空間的激活粒子而形成 多橫模振蕩氣體: 無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng), 空間轉(zhuǎn)移迅速，難以形成空間燒孔。固體: 如 Cr 離子束縛在晶格結(jié)構(gòu)上，轉(zhuǎn)移 l/4 需10-4 S半導(dǎo)體: 10-7 S第22頁(yè)

11、，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四二、非均勻加寬激光器的振蕩模式1、外激勵(lì) g0 滿足閾值條件的縱模 振蕩模式數(shù)第23頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四2、非均勻加寬激光器中模競(jìng)爭(zhēng)的表現(xiàn) 若縱模頻率n1, n2 對(duì)稱分布在中心頻率 n0 兩側(cè)，消耗相同速度 Vz的反轉(zhuǎn)粒子數(shù) 相鄰縱模的燒孔重疊 n1n2Dn燒孔寬度要實(shí)現(xiàn)單模激光，需要進(jìn)行模式選擇（詳見第七章）第24頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四 5.3 輸出光功率與能量 討論穩(wěn)態(tài)情況下的平均光強(qiáng)，腔內(nèi)光強(qiáng)不均勻，只能粗略估算激光器輸出功率一、連續(xù)（或長(zhǎng)脈沖）激光器輸出功

12、率 單模激光器（設(shè)第 l 模，頻率為nq )T1=0T1=TI+I-飽和加深（穩(wěn)態(tài)光強(qiáng)）不變g(n)gt飽和第25頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四1. 均勻加寬激光器( n=n0 )假設(shè)同時(shí)參與飽和I+I-求腔內(nèi) In T1=0T1=T時(shí)腔內(nèi)的光強(qiáng)dT 是指數(shù)損耗因子 T是百分比損耗因子， 兩者不能等同。 在T1的情況下(如：氣體激光器)，2 T+a ，有：嚴(yán)格推導(dǎo)表明，在p2p1第32頁(yè)，共34頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)41分，星期四3. 多模激光器 非均勻加寬: Dnq足夠大, 不發(fā)生燒孔相連時(shí), 用(5-3-10)及(5-3-12)計(jì)算每個(gè)縱模的輸出功率, 總功率即為各模輸出之和 均勻加寬: (固態(tài)激光器）必須由多模速率方程求Pout, 并作簡(jiǎn)化假設(shè)(各模損耗相等, 線型函數(shù)為矩形)